强震作用下隧道洞口段失稳机理研究

Many engineering projects has showed that portals of mountain tunnels can be deformed or fail during strong earthquake. Dynamic response, failure mechanism and analysing method of tunnel portal section will be analysed in this project. By analytical methods, shaking table model tests and numerical simulation the following studies will be accomplished: 1) A displacement failure criterion of the Strength Reduction Method combined with Catastrophe Theory will be proposed and compare with plastic zone criterion. Finally a failure criterion of tunnel portal section will be defined. 2) Based on the failure criterion,the procedures of applying a 3-dimensional Strength Reduction Method will be studied and thus numerical simulation method under strong earthquake for tunnel portal will be built.3) By revisiting the Wenchuan earthquake area, numerical simulation and shaking table test, deformation and failure mechanism of slopes around tunnel portal, spacial distribution of slope sliding and deformation of tunnel structures will be studied. The failure mechanism of tunnel portal section will be further studied. A method analysing portal section stability will be built.The method is of important theoretical and practical significance in tunnel portal section design.

工程实践已表明，山岭隧道洞口段在强震作用下易发生变形及失稳破坏。本项目拟针对隧道洞口段在强震作用下的动力响应、破坏规律和分析方法进行研究。通过理论分析、数值模拟和振动台模型试验：①提出结合突变理论的位移失稳判据，与塑性区贯通失稳判据相对比，建立适用于隧道洞口段的动力强度折减法失稳判据；②在该判据的基础上，对计算条件和强度折减的实施步骤进行研究，建立隧道洞口段在强震作用下的三维动力强度折减法计算方法；③结合汶川地震现场回访、数值计算结果和振动台模型试验，给出隧道洞口段围岩变形失稳的演化规律、边坡失稳的空间特征、洞口段衬砌及洞门结构的受力和变形特征等，对隧道洞口段失稳破坏全过程的力学机理进行深入的分析。最终建立适合隧道洞口段在强震作用下失稳的分析方法。该方法对类似工程的理论研究和设计、设防等工程实践具有重要的参考价值。

采用模型实验、理论分析及数值计算等手段，研究了山岭隧道洞口段在强震作用下的震害机理，建立了分析和评价洞口段地震稳定性的有限差分强度折减法，并分析了抗减震措施。获得了一些新的认识：（1）实施了不同坡度、不同加载方向、含减震层的三组振动台模型试验，发明了一种新型相似材料；采用非接触式位移监测系统进行了表面位移的监测。（2）试验表明，由于洞口临空面的存在，隧道洞口处会出现加速度的放大效应。随着仰坡坡度的增加，这种放大效应会逐渐减弱；沿隧道纵轴向加载条件下，这种放大效应会增加；减震层的设置，可以有效减小衬砌的加速度反应，对放大效应有所抑制。相应地，衬砌结构位移在洞口也有放大效应。隧道结构两侧的拱肩和拱脚位置是抗震的薄弱环节。洞口仰坡是隧道洞口段抗震设防的重点区域。沿隧道轴向加载时，坡面破坏尤为明显，是更为不利的振动方向。（3）基于自由变形法，将三维山岭隧道洞口段简化为单面坡均质模型，考虑洞口仰坡的反射效应并得到围岩中的应变和位移场，并将隧道简化为三维薄壁壳结构，受到应变与位移场作用，最终得到垂直入射SH、SV波作用下隧道结构的应变和位移响应。获得了应变集中的部位。不同的仰坡坡角，并不能改变应变沿横截面的分布规律，但随着坡角的增加，环向与切向应变逐渐增大。洞口处的刚性位移较大，这与试验结果相符。（4）基于有限差分法强度折减计算，将塑性应变能结合突变理论的失稳判据通过编制程序引入动力强度折减法计算。认为该判据概念明确、监测量数值单一，突变点依据数学方法确定，避免了判据的主观性，且准确性可以满足。基于本课题的模型试验，建立数值计算模型，采用上述判据开展了洞口边仰坡度数分别为25度、35度和45度的不同角度的研究，结果表明，三个模型的动、静力安全系数均是随着坡角的增大而减小；相同坡角下，动力安全系数小于静力安全系数，这与动力加载降低结构稳定性的一般规律一致。这些成果对相关工程具有参考意义。